1960—2015年吉林省玉米生長季有效降水和水分虧缺指數的變化特征

邱美娟，郭春明，王冬妮，袁福香，曲思邈，任景全，李忠輝，穆 佳

(吉林省氣象科學研究所， 吉林 長春 130062)

吉林省是我國玉米主產區和重要的商品糧基地[1-2]，農業生產以雨養為主，降水是吉林省作物需水量的主要來源[3]，降水量地域間差異很大[4-5]，并且存在一定的年際波動，導致各地水分虧缺程度差異較大，因此研究吉林省有效降水量及水分虧缺指數的時空演變特征，對于指導當地農業生產、科學合理節水灌溉、緩解水資源的供需矛盾具有重要意義。

氣候變暖導致吉林省氣候和農業氣候資源發生了明顯變化[6]，降水、蒸散量等的變化可能引起作物生長發育、產量和耗水量等產生相應的變化[7-8]。近年來國內外開展了大量有關作物生育期降水量、需水量和水分盈虧方面的研究[9-13]。在有效降水量研究方面，龐艷梅等[14]分析了四川盆地玉米有效降水量的變化特征，結果表明，近50年來，除乳熟到成熟期外，玉米全生育期及播種到乳熟期的有效降水量總體呈下降趨勢；李勇[15]等研究得出1961—2007年長江中下游地區早稻和單季稻生育期有效降水量均表現為增加趨勢，而晚稻生育期有效降水量表現為減少趨勢。在作物需水和水分盈虧變化研究方面，劉曉英[16]等計算了華北主要旱地作物冬小麥、夏玉米的需水量，并分析其變化趨勢；劉宏誼[17]等、楊艷昭[18]等和封志明[19]等采用農田水量平衡模型，計算并分析了甘肅省春小麥、冬小麥等主要旱地作物的需水變化規律和水分盈虧特征；邵曉梅[20]等對黃河流域主要農作物的降水盈虧格局進行了分析。以上關于作物有效降水量、需水量和水分盈虧方面的研究，均取得了一定的成果。而涉及吉林省，關于作物生育期降水量變化特征的研究較多[21-22]，但是對于作物生育期有效降水量和水分虧缺的研究還較少。

因此，本研究利用吉林省50個氣象站的氣象數據，采用作物蒸散和降水量的比率法計算有效降水量，進而計算水分虧缺指數，利用GIS的空間化技術，采用反距離加權(IDW，inverse distance weighted)插值法對各計算量的空間分布及其隨時間的變化趨勢進行插值，分析其時空演變特征，以期對吉林省有效降水量和水分虧缺情況的空間分布和時間演變特征有全面而詳細的了解，有助于深化對氣候變暖背景下的干旱發生規律的認識。

1 資料與方法

1.1 資料來源及處理

所用數據為吉林省1960—2015年50個氣象站逐日氣象資料，包括：平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫、露點溫度、日照時數、降水量、風速和相對濕度。圖1為研究區內氣象站點分布。

圖1 氣象站點分布

Fig.1 Distribution of meteorological station

吉林省玉米生長季一般在5—9月，根據吉林省農業氣象觀測站1981—2014年玉米生育期觀測資料，假定研究時段內玉米品種保持不變，確定玉米平均生育期。綜合玉米不同生育期對溫度要求的相關資料，將玉米生育期劃分為營養生長期(vegetative phase，從播種到拔節，5月上旬—6月下旬)、營養生長與生殖生長并進期(vegetative and reproductive phase，簡稱并進期，從拔節到開花，7月上旬—7月下旬)、生殖生長期(reproductive phase，從開花到成熟，8月上旬—9月下旬)3 個階段。計算玉米生長季及各階段的有效降水量、需水量以及水分虧缺指數。

氣象數據處理及玉米生長季有效降水量、需水量和水分虧缺指數的計算采用Fortran編程處理，空間分布采用地理信息系統軟件ArcGIS作圖。

1.2 研究方法

1.2.1 有效降水量 作物生長期的有效降雨量指能夠提供給作物蒸發蒸騰，從而減少作物對灌溉水需求的雨量。對于旱作物，有效降雨量指總降雨量中能夠保存在作物根系層中用于滿足作物蒸發蒸騰需要的那部分雨量，不包括地表徑流和滲漏至作物根系吸水層以下的部分[23]。作物有效降雨量需逐時段(日、旬或月)計算，由于不同作物需水量不同，生長期內的降雨量和降雨分布也有很大差別，因此，降雨的有效利用比例也因作物不同而異。研究表明，作物有效降雨量的計算方法與計算時段長度的選取有關，本研究以旬為單位，采用FAO參考作物蒸散量和降水量的比率法來計算有效降水量，逐旬有效降雨量可采用以下簡化方法計算[24]：

(1)

式中，Pei是逐旬有效降水量，mm；P是逐旬累積自然降水量，mm；Etc是逐旬作物需水量，mm。則玉米生育時段內有效降水的計算公式：

(2)

其中，Pe是玉米生育時段內的有效降水量，mm；n是該生育時段包含的旬數。

已有研究表明[25]，以旬為時段計算不同作物有效降雨量的簡化方法，其精度能夠滿足規劃和設計的要求。但當以日為計算時段時，該方法計算的有效降雨量會過小，而以月為計算時段時，該方法計算的有效降雨量會偏大。本研究中有效降雨量以旬為計算時段。

1.2.2 玉米需水量 作物需水量是指作物在土壤水分和養分適宜、管理良好、生長正常和大面積高產條件下棵間土面(或水面)蒸發量與植株蒸騰量之和。玉米生長季需水量利用FAO推薦的作物系數法計算：

ETc=Kc×ET0

(3)

式中，ET0是參考作物蒸散量，mm·d-1；ETc是作物需水量，mm·d-1；Kc是作物系數，本研究采用吉林省氣象局農業氣象業務服務中應用的Kc指標(表1)，該指標是通過不斷試驗調整，最后確定的一套指標。通過玉米生長季逐日需水量累積得到不同時段的需水量。

其中，參考作物蒸散量(ET0)也稱可能蒸發量或潛在蒸發量，計算ET0的方法很多，本研究采用聯合國糧農組織推薦的改進Penman-Monteith公式計算：

(4)

式中，Rn是作物表面凈輻射量，MJ·m-2；Δ是飽和水汽壓和溫度關系曲線的斜率，kPa·℃-1；T是平均空氣溫度，℃；es是空氣飽和水汽壓，kPa；ea是空氣實際水汽壓，kPa；γ是濕度計常數，kPa·℃-1；U2是地面之上2 m處的風速，m·s-1。

表1 作物系數Kc Table 1 Crop coefficient (Kc)

1.2.3 水分虧缺指數 作物水分虧缺指數是表征作物水分虧缺程度的指標之一，在不考慮灌溉條件下作物水分虧缺指數可表達為：

(5)

式中，D為水分虧缺指數，D越大表示水分虧缺越明顯，ETc是玉米生育時段內作物需水量，Pe是玉米生育時段內有效降水量。

2 結果與分析

2.1 有效降水量變化特征

1960—2015年吉林省玉米生長季有效降水空間分布如圖2a。吉林省玉米生長季平均有效降水量為242～374mm，平均值為321mm，總體上以東南部的舒蘭—吉林城郊—煙筒山—東豐—通化縣—集安—東崗—蛟河一帶以內為中心，分別呈向西北、向東逐步遞減的趨勢。最高值在東崗，平均為364mm，其次是集安，為360mm；最低值分布在西部的鎮賚，平均為262mm,其次是白城，為265mm。對有效降水量隨年際變化趨勢的統計檢驗顯示，近56a來玉米生長季有效降水量的變化趨勢在-12.0～4.9mm·10a-1之間(圖3a)，除伊通、永吉和圖們生長季有效降水量呈不顯著的上升趨勢外，其余大部地區均呈下降趨勢，其中長嶺、農安、德惠、榆樹、四平、梅河口、柳河、輝南和東崗等約18%的站點變化趨勢通過了0.05水平的顯著性檢驗。

1960—2015年吉林省玉米各生長階段有效降水的空間分布如圖2b～2d。由圖2b可見，營養生長期平均有效降水量為80～121mm，平均值為104mm，總體上分布特征與生長季一致，東南部高，向西北、向東呈逐步遞減的趨勢特點；營養生長與生殖生長并進期(圖2c)有效降水量為84～115mm,平均值為103mm，最高值分布在東崗，東部的和龍、龍井以東是平均有效降水最低的區域，最低值在圖們；生殖生長期(圖2d)平均有效降水量為84～132mm,平均值為113mm,最高值分布在柳河，最低值為鎮賚。可見，各生育階段有效降水量的空間分布基本與生長季一致，但除了并進期有效降水最低區分布在東部外，其它各階段有效降水最低區均分布在吉林省的西部地區。比較玉米各生育階段有效降水量看出，生殖生長期有效降水總是大于營養生長期；中西部部分地區，并進期有效降水量最多；其它大部分地區并進期有效降水量最少。

圖3b～d為吉林省玉米各個生育階段有效降水量的氣候傾向率空間分布特征。營養生長期有效降水量氣候傾向率在-3.9～5.4mm·10a-1(圖3b)，中西部大部分地區、東部個別地區呈增加趨勢，增加的站點占總數的58%，但只有鎮賚通過0.05水平的顯著性檢驗；其余呈減少趨勢的站點均未通過任何水平的顯著性檢驗。并進期有效降水量氣候傾向率在-10.2～3.6mm·10a-1(圖3c),東部部分地區呈增加趨勢，但均未通過任何水平顯著性檢驗；全省大部呈減少趨勢，減少的站點總數的82%，其中有76%站點通過0.05水平的顯著性檢驗。生殖生長期氣候傾向率在-6.2～2.2mm·10a-1(圖3d),只有松原、四平、伊通、永吉、和龍等5個站呈不顯著增加趨勢；其余90%的站點均呈減少趨勢，且僅9%站點通過了0.05水平的顯著性檢驗。由統計結果可見，吉林省1960—2015年玉米并進期和生殖生長期的有效降水量總體呈減少趨勢，并進期的減少速率最快，而營養生長期中西部大部、東部個別地區的有效降水量呈增加趨勢。

圖2 1960—2015年玉米生長季有效降水量的空間分布Fig.2 Distribution characteristics of effective precipitation during maize growth season in 1960—2015

圖3 1960—2015年玉米生長季有效降水變化趨勢空間分布

Fig.3Spatialdistributionofthechangingtrendofeffectiveprecipitationduringmaizegrowthseasonin1960—2015

2.2 需水量變化特征

1960—2015年吉林省玉米生長季需水量空間分布如圖4a。吉林省玉米生長季平均需水量為452～637mm，平均值為523mm，總體上呈從東南到西北遞增的趨勢特征。需水量最多的是西部的洮南，最少的是東部的圖們。近56a吉林省玉米生長季需水量氣候傾向率在-16.5～10.3mm·10a-1(圖5a),其中，中西部大部、東部部分地區等80%的站點呈下降趨勢，并且有37.5%站點通過0.05水平的顯著性檢驗；呈上升趨勢的站點中只有長白通過了0.05水平的顯著性檢驗。

1960—2015年吉林省玉米各生長階段需水量的空間分布如圖4b～d。營養生長期平均需水量為150～231mm,平均為187mm,最高值分布在通榆，最低值在琿春；營養生長與生殖生長并進期需水量在127～183mm,平均值為151mm，最高值分布在洮南，最低值在琿春；生殖生長期需水量在164～225mm,平均值為185mm，最高值分布在洮南，最低值在靖宇。總體上，各個階段需水量的分布趨勢與生長季需水量分布趨勢一致，均呈由東南向西北遞增的趨勢特點。比較玉米各生育階段需水量看出，并進期需水量最少，中西部營養生長期需水量大于生殖生長期，東部地區營養生長期需水量小于生殖生長期。

圖5b～d為吉林省玉米各個生育階段需水量的氣候傾向率空間分布特征。營養生長期需水量氣候傾向率在-7.6～1.9mm·10a-1(圖5b)，且94%的站點呈下降趨勢，其中61.7%的站點通過0.05水平的顯著性檢驗；只有煙筒山、二道、長白呈上升趨勢，其中只有長白通過了0.05水平的顯著性檢驗。營養生長與生殖生長并進期需水量氣候傾向率在-4.7～3.2mm·10a-1(圖5c),呈下降趨勢的站點占78%，其中10%的站點通過0.05水平顯著性檢驗；呈上升站點中只有長白通過0.05水平的顯著性檢驗。生殖生長期需水量氣候傾向率在-4.2～5.2mm·10a-1(圖5d)，其中白城、扶余、農安、德惠、雙遼、梨樹、四平和通化縣等8個站點呈下降趨勢，且扶余、農安、雙遼的下降趨勢通過了0.05水平的顯著性檢驗；其余84%的站點呈上升趨勢，其中僅19%的站點上升趨勢通過了0.05水平的顯著性檢驗。可見，營養生長期和并進期需水量普遍呈下降趨勢，而生殖生長期需水量多數呈上升趨勢。

圖4 1960—2015年玉米生長季需水量的空間分布Fig.4 Spatial distribution of water requirement during maize growth season in 1960—2015

圖5 1960—2015年玉米生育期需水量變化趨勢空間分布

Fig.5Spatialdistributionofthechangingtrendofwaterrequirementduringmaizegrowthseasonin1960—2015

2.3 水分虧缺指數變化特征

1960—2015年吉林省玉米生長季水分虧缺指數空間分布如圖6a。全省玉米生長季水分虧缺指數在23%～58%，平均為37%，總體上呈東南向西部逐步遞增的趨勢特點，水分虧缺最嚴重的地區分布在西部的洮南，水分虧缺最輕的地區分布在東部的靖宇。玉米生長季水分虧缺指數氣候傾向率在-0.8～1.9·10a-1之間(圖7a)，其中只有扶余、雙遼、伊通、永吉、吉林城郊、和龍、龍井以及圖們等8個站點呈不顯著的下降趨勢；其余大部分地區水分虧缺指數呈上升趨勢，但只有長白通過了0.05水平的顯著性檢驗，且以1.9·10a-1的速率上升。

1960—2015年吉林省玉米各生育階段水分虧缺指數空間分布如圖6b～d。營養生長期水分虧缺指數在25%～63%(圖6b)，平均為42%，水分虧缺最嚴重的地區是白城，水分虧缺最輕的地區是東崗；營養生長與生殖生長并進期水分虧缺指數在17%～46%(圖6c)，平均為30%，水分虧缺最嚴重的地區分布在洮南，水分虧缺最輕的地區分布在靖宇；生殖生長期水分虧缺指數在24%～61%(圖6d)，平均為37%，最嚴重地區為洮南，最輕地區為靖宇。各階段水分虧缺指數總體上均呈由東南向西北逐步遞增的趨勢特點，與整個生長季的分布特征一致。比較各生育階段水分虧缺指數可知，營養生長期水分虧缺最嚴重，其次是生殖生長期。

1960—2015年吉林省玉米各生育階段水分虧缺指數變化趨勢空間分布如圖7b～d。營養生長期水分虧缺指數氣候傾向率在-2.9～1.4·10a-1(圖7b)，呈下降趨勢的站點占總站點數的84%，其中21%的站點通過了0.05水平的顯著性檢驗；其余呈上升趨勢的16%的站點中均未通過顯著性檢驗。營養生長與生殖生長并進期水分虧缺指數氣候傾向率在-2.5～5.7·10a-1(圖7c),且只有東部的永吉、安圖、和龍、龍井、琿春、延吉和圖們呈不顯著的下降趨勢；其余86%的站點均呈上升趨勢，僅有16%的站點上升趨勢通過0.05水平的顯著性檢驗。生殖生長期水分虧缺指數氣候傾向率在-1.5～3.6·10a-1(圖7d),其中，松原、雙遼、四平、永吉和吉林城郊呈不顯著下降趨勢；其它90%的站點均呈上升趨勢，其中僅11%的站點通過0.05水平的顯著性檢驗。由以上分析可見，營養生長期水分虧缺指數以下降趨勢為主，而并進期和生殖生長期水分虧缺指數以上升趨勢為主。

圖6 1960—2015年玉米生長季水分虧缺指數的空間分布Fig.6 Spatial distribution of water deficit index during maize growth season in 1960—2015

圖7 1960—2015年玉米生育期水分虧缺指數變化趨勢空間分布

Fig.7Spatialdistributionofthechangingtrendofwaterdeficitindexduringmaizegrowthseasonin1960—2015

2.4 典型站點玉米生長季水分變化特征

為深入比較吉林省不同區域玉米生長季內有效降水、需水和水分虧缺情況，選取3個典型站點進行分析，分別為西部的白城、中部的公主嶺、東部的靖宇。典型站點玉米生長季內有效降水量、需水量、水分虧缺指數如表2所示。由表2可見，從不同站點看，玉米生長季和各生育階段有效降水量由西向東呈增加趨勢，需水量由西向東呈減少趨勢，因而西部白城水分虧缺最嚴重，其次是中部公主嶺。從不同生育階段看，營養生長期和生殖生長期需水量較多，水分虧缺相對嚴重，而并進期需水量相對較少，水分虧缺較輕。

3 結論與討論

通過對1960—2015年吉林省玉米生長季及不同生育階段有效降水、需水量及水分虧缺指數的變化特征的分析研究，得出以下主要結論：

1960—2015年吉林省玉米生長季平均有效降水量為242～374mm，總體上以東南部為中心，分別呈向西北、向東逐步遞減的趨勢。其它各生育階段空間分布特征與生長季一致，但并進期有效降水最低區分布在東部，其它各階段有效降水最低區均分布在吉林省的西部地區。近56a來玉米生長季有效降水量的變化趨勢在-12.0～4.9mm·10a-1之間，總體呈下降趨勢。玉米并進期和生殖生長期的有效降水量普遍呈下降趨勢，而營養生長期中西部大部、東部個別地區的有效降水量呈上升趨勢。

1960—2015年吉林省玉米生長季平均需水量為452～637mm，其它各生育階段需水量的分布趨勢與生長季需水量分布趨勢一致，均呈由東南向西北遞增的趨勢特點。比較玉米各生育階段需水量看出，并進期需水量最少，中西部營養生長期需水量大于生殖生長期，東部地區營養生長期需水量小于生殖生長期。近56a吉林省玉米生長季需水量氣候傾向率在-16.5～10.3mm·10a-1，以下降趨勢為主。營養生長期和并進期需水量普遍呈下降趨勢，而生殖生長期需水量多數呈上升趨勢。

表2 吉林省典型站點玉米生長季及不同生育階段的有效降水量、需水量、缺水量及水分盈虧指數Table 2 Effective precipitation, water requirement, water deficit and water deficit index of maize ingrowing season and different growth stages of the typical sites in Jilin Province

1960—2015年吉林省玉米生長季水分虧缺指數在23%～58%，各階段水分虧缺指數總體上均呈由東南向西北逐步遞增的趨勢特點，與整個生長季的分布特征一致。營養生長期水分虧缺最嚴重，其次是生殖生長期。玉米生長季水分虧缺指數氣候傾向率在-0.8～1.9·10a-1之間，總體以上升趨勢為主。營養生長期以下降趨勢為主，而并進期和生殖生長期以上升趨勢為主。

研究指出，由于吉林省的特殊氣候條件，中西部是有效降水量的低值區，卻是需水量的高值區，因而導致吉林省中西部水分虧缺嚴重，而東部是有效降水量的高值區，需水量的低值區，水分虧缺相對較輕。

本文采用FAO推薦的Penman-Monteith方法計算作物需水量、參考作物蒸散量和降水量的比率法計算有效降水量時，該方法是目前得到公認和普遍推廣的方法之一。但是，由于研究區域涉及全省，而全省的地形、地貌區域差異性比較大，Penman-Monteith公式的a，b系數采用的是推薦值，有效降水也沒有考慮到降水強度和地表徑流的影響，因此計算精度肯定會存在一定的誤差，在以后的研究中應結合研究區域的具體情況進一步深入研究。

[1] 馬樹慶.吉林省農業氣候研究[M].北京:氣象出版社,1994:33.

[2] 靳英華，周道瑋.全球氣候變化背景下吉林省生長季水熱變化及其種植策略研究[J].自然資源學報,2012,27(9):1460-1470.

[3] 唐 蘊,王 浩,嚴登華,等.近50年來東北地區降水的時空分異研究[J].地理科學,2005,25(2):172-176.

[4] 董滿宇,吳正方.近5年來吉林省氣溫和降水變化趨勢分析[J].東北師大學報(自然科學版),2007,39(3):114-119.

[5] 曾麗紅,宋開山,張 柏,等.1960—2008年吉林省降水量的時空演變特征[J].中國農業氣象,2010,31(3):344-352.

[6] 郭建平.氣候變化對中國農業生產的影響研究進展[J].應用氣象學報,2015,26(1):1-11.

[7] Watson R T, Zinyowera M C, Moss R H, et al. Climate Change 1995: Impacts, Adaptation and Mitigation of Climate Change[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1996.

[8] Supit I, Diepen C A, Boogaard H L, et al. Trend analysis of the water requirements, consumption and deficit of field crops in Europe[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2010,150(1):77-88.

[9] 張建平,王春乙,楊曉光,等.未來氣候變化對中國東北三省玉米需水量的影響預測[J].農業工程學報,2009,25(7)：50-55.

[10] Tong Ling, Kang Shaozhong, Zhang Lu. Temporal andspatial variations of evapotranspiration for spring wheat in the Shi yang river basin in northwest China[J]. Agricultural Water Management, 2007,87(3):241-250.

[11] 張淑杰，張玉書，蔡 福，等.1961年至2007年東北地區水分盈虧變化趨勢及其影響與響應[J].資源科學，2010，32(4)：663-670.

[12] 張順謙，鄧 彪，楊云潔.四川旱地作物水分盈虧變化及其與氣候變化的關系[J].農業工程學報，2012,28(10)：105-111.

[13] 王曉東，馬曉群，許 瑩，等.淮河流域主要農作物全生育期水分盈虧時空變化分析[J].資源科學，2013，35(3)：665-672.

[14] 龐艷梅，陳 超，潘學標.1961—2010年四川盆地玉米有效降水和需水量的變化特征[J].農業工程學報，2015，31(增刊1)：133-141.

[15] 李 勇,楊曉光,葉 清,等.1961—2007年長江中下游地區水稻需水量的變化特征[J].農業工程學報,2011,27(9):175-183.

[16] 劉曉英,李玉中,郝衛平.華北主要作物需水量近50年變化趨勢及原因[J ].農業工程學報,2005,21(10):155-159.

[17] 劉宏誼，馬鵬里，楊興國，等.甘肅省主要農作物需水量時空變化特征分析[J].干旱地區農業研究，2005，23(1)：39-44.

[18] 楊艷昭，封志明，林耀明.甘肅省小麥水分平衡及其時空分布模式[J].地理研究，2005，24(6)：853-859.

[19] 封志明，楊艷昭，劉寶勤.甘肅省農田水分平衡及其時空分布規律[J].自然資源學報，2005，20(2)：188-194.

[20] 邵曉梅，嚴昌榮.黃河流域主要農作物的降水盈虧格局分析[J].中國農業氣象，2007，28(1)：40-44.

[21] 張 偉,閆敏華,陳泮勤,等.吉林省農作物生長季降水資源的時空分布特征[J].中國農業氣象,2007,28(4):359-363.

[22] 王曉東,董煒華,褚麗娟,等.吉林西部旱澇災害與降水對應關系的分析[J].災害學，2015,30(4):53-58.

[23] 劉戰東,段愛旺,肖俊夫,等.旱作物生育期有效降水量計算模式研究進展[J].灌溉排水學報,2007,26(3):27-34.

[24] 劉 鈺,蔡甲冰,蔡林根,等.黃河下游灌區農田灌溉制度與供需平衡分析[J]．水利學報，2005，36(6):701-708．

[25] 劉 鈺,汪 林,倪廣恒,等.中國主要作物灌溉需水量空間分布特征[J].農業工程學報,2009,25(12):6-12.